Моделирование Планетарного внутренних процессов дифференцировки в лаборатории

Планеты земной группы, такие как Земли, Венеры, Марса и Меркурия являются дифференцированные планетные тела, состоящие из силикатного мантии и металлического ядра. Современная модель формирования планет говорит о том, что планеты земной группы были сформированы из столкновений Луны к размером с Марс зародыши планет, выращенных из км размера или больше планетезималей через гравитационных взаимодействий ^1-2. Планетезималей были всего дифференцированы уже после того, как металлические сплавы железа достиг температуры плавления при нагревании из таких источников, как радиоактивного распада короткоживущих изотопов, таких как ²⁶ Al и ⁶⁰ Fe, воздействия, а также выпуск потенциальной энергии ^3. Важно понимать, как жидкий металл просачивается через силикатной матрице во время ранней дифференцировки.

Planet дифференцирование может пройти через эффективному разделению жидкость-жидкость или путем протекания жидкого металла в твердом силикатной матрице, в зависимостиот размера и внутренней температуры планетарных тел. Просачивание жидкого металла в твердом силикатной матрице, вероятно доминирующим процессом в начальной дифференциации, когда температура недостаточно высока, чтобы расплавить весь планетарное тело. Эффективность фильтрации зависит от двугранного угла, определяемой межфазных энергий твердых тел и твердой и жидкой интерфейсов. Мы можем имитировать этот процесс в лаборатории путем проведения экспериментов высокого давления и высокой температуры на смеси сплава железа и силикатов. Недавние исследования ^4-7 исследовали смачивающей способности жидких сплавов железа в твердом силикатной матрице при высоком давлении и температуре. Они использовали обычный способ для измерения относительных распределений частот из очевидных двугранных углов между закаленного жидкого металла и силикатных зерен на полированных сечений для определения истинного двугранного угла. Обычный метод дает относительно большой UNCertainties в измеряемой двугранного угла и возможной предвзятости в зависимости от статистики выборки. Здесь мы представляем новый метод воображения для визуализации распределения жидкого металла в силикатной матрице в трех измерениях (3D) путем сочетания FIB фрезерования и высоким разрешением автоэмиссионного SEM изображений. Новый метод визуализации обеспечивает точное определение двугранного угла и количественной меры объемной доли и связи жидкой фазы.

Ядро Земли была сформирована в течение относительно короткого времени (<100 000 000 лет) ^8, предположительно в жидком состоянии на его ранней истории. Марс и Меркурий также жидкие ядра на основе солнечной приливной деформации от слежения радио данных Mars Global Surveyor ⁹ и моделей радар спекл привязанных к планетарной вращения ^10, соответственно. Тепловые модели эволюции и эксперименты плавления высокого давления на основных материалов и далее поддерживать жидкую марсианской ядро11-12. Последние данные Посланник космических аппаратов, дают дополнительные данные для жидкого ядра Меркурия ^13. Даже маленькая Луна, скорее всего имеет небольшой жидкое ядро на основе недавнего повторного анализа Аполло лунных сейсмограмм ^14. Жидкие планетарные ядер согласуются с высокой аккреционного энергии на ранней стадии формирования планет. Последующее охлаждение может привести к образованию твердого внутреннего ядра для некоторых планет. Сейсмические данные показали, что Земли, состоит из жидкого внешнего ядра и твердого внутреннего ядра. Формирование внутреннего ядра имеет важные последствия для динамики ядра обусловлен тепловым и композиционных конвекции и генерации магнитного поля планеты.

Затвердевание внутреннего сердечника контролируется температура плавления материалов сердцевины и тепловой эволюции сердечника. Ядро формирование планет земной совместно схожие пути увеличение или химический состав ядер считается бе преобладают железа с приблизительно 10% по весу легких элементов, таких как сера (S), кремний (Si), кислород (O), углерода (С), и водород (Н) ^15. Очень важно иметь знание отношений плавления в системах, имеющих отношение к ядра, например, Fe-FeS, Fe-C, Fe-FeO, Fe-Фэ и Fe-FeSiat высокого давления, для того чтобы понять состав планетарные ядра. В этом исследовании, мы продемонстрируем эксперименты, проведенные в нескольких наковальни устройства и алмазной наковальни клетки, имитируя условия планетарных ядер. Эксперименты предоставить информацию о последовательности кристаллизации и элемента распределения между твердой и жидкой металла, что приводит к лучшему пониманию для требований внутренней кристаллизации основной и распределения легких элементов между кристаллической внутреннего ядра и жидкого из ядра. Чтобы продлить отношения плавления до очень высоких давлениях, мы разработали новые методы для анализа закаленных образцов оправился от лазерной подогревом алмазного-асотовые эксперименты nvil. С точностью FIB фрезерования лазерного пятна нагрева, определяем плавления с помощью закалки критерии текстуры вошедшие в образ с высоким разрешением SEM и количественного химического анализа с помощью детектора кремния дрейфа при субмикронного пространственным разрешением.

Здесь мы приводим два набора экспериментов, чтобы имитировать образование планетарной основной перколяцией металлических таять в силикатной матрице во время раннего аккреции и внутренней кристаллизации основной по последующим охлаждением. Моделирование направлена ​​понять две важные процессы в ходе эволюции планетарного ядра.